Деформаційні вимірювальні перетворювачі тиску прямого перетворення

Вимірювальні перетворювачі тиску, які випускаються у даний час, засновані на методі прямого перетворення, розрізняються як видом деформаційного чутливого елемента, так і способом перетворення його переміщення або зусилля, яке розвивається ним, у сигнал вимірювальної інформації. Для перетворення переміщення чутливого елемента в сигнали вимірювальної інформації широко застосовуються індуктивні, диференційно-трансформаторні, ємнісні, тензорезисторні і інші перетворювальні елементи. Перетворення зусилля, яке розвивається чутливим елементом, у сигнали вимірювальної інформації здійснюється п'єзоелектричними перетворювальними елементами.

Індуктивні вимірювальні перетворювачі тиску. На рис.5.9,а показана схема вимірювального перетворювача тиску, оснащеного перетворювальним елементом індуктивного типу. Мембрана 1, що сприймає тиск, є рухливим якорем електромагніта 2 з обмоткою 3. Під дією вимірювального тиску мембрана 1 переміщується, що викликає зміну електричного опору індуктивного перетворювального елемента.

Диференційно-трансформаторні вимірювальні перетворювачі тиску.

Вимірювальний перетворювач тиску диференційно-трансформаторного (ДТ) типу (рис.5.9,б) містить деформаційний чутливий елемент 1 і ДТ-елемент 2. Перетворювальний елемент являє собою каркас із діелектрика, на якому розміщені катушка з первинною обмоткою 7, що складається із двох секцій, згідно намотаних, і двох секцій 4, вторинні обмотки 5, включених зустрічно. Усередині каналу катушки розташований рухомий сердечник 6 з магнитом’якого матеріалу, пов'язаний із пружиною 1 тягою 3.

Шляхом зміни регульованого опору R1 можна змінювати межі вимірювання на ±25%.

Формування вихідного сигналу ДТ-елемента здійснюється в такий спосіб. При протіканні по первинних обмотках струму виникають магнітні потоки, що пронизують обидві секції вторинної обмотки і індуцює в них ЕРС. Значення цього ЕРС пов'язані із взаємними індуктивностями між первинною обмоткою і кожною із секцій вторинної обмотки.

Перетворення вимірювального тиску в електричні сигнали розглянутим перетворювачем тиску здійснюється шляхом перетворення тиску в деформацію (переміщення) чутливого елементу, жорстко з’єднаного із сердечником 6, і наступного перетворення переміщення сердечника 6 в електричний сигнал ДТ-елементом. Класи точності 1,0 і 1,5.

Для вимірювання перепаду тисків розроблені мембранні дифманометри із ДТ-елементом, що здійснює перетворення переміщення мембранного блоку в сигнал вимірювальної інформації.

Класи точності перетворювачів перепаду тиску 1,0 і 1,5. Час установлення вихідних сигналів не більше 1 с.

Ємнісні вимірювальні перетворювачі тиску. Схема вимірювального перетворювача тиску, оснащеного ємнісним перетворювальним елементом, наведена на рис.5.10,в. Вимірювальний тиск сприймається металевою мембраною 1, що є рухливим електродом ємнісного перетворювального елемента. Нерухомий електрод 2 ізолюється від корпуса за допомогою кварцових ізоляторів. По залежності ємності С перетворювального елемента від переміщення δ мембрани 1 вимірюється величина тиску.

Тензорезисторні вимірювальні перетворювачі тиску. Перетворювачі тиску цих видів являють собою деформаційний чутливий елемент, найчастіше мембрану, на яку наклеюються тензорезистори. В основі принципу роботи тензорезисторів лежить явище тензоефекту, суть якого полягає в зміні опору провідників і напівпровідників при їхній деформації. Існує зв'язок між зміною опору тензорезистору і його деформацією

Отримали розповсюдження дротові і фольгові тензорезистори, що виготовляють із провідників типу манганіну, ніхрому, константану, а також напівпровідникові тензорезистори, що виготовляють із кремнію і германія р- і л-типів. Опір тензорезисторів, що виготовляють із провідників, становить 30…500 Ом, а опір напівпровідникових тензорезисторів від 5·10-2…10 кОм.

Удосконалювання технології виготовлення напівпровідникових тензорезисторів створило можливість виготовляти тензорезистори безпосередньо на кристалічному елементі, виконаному із кремнію або сапфіру. Пружні елементи кристалічних матеріалів мають пружні властивості, що наближаються до ідеального. Класи точності тензорезисторних вимірювальних перетворювачів надлишкового тиску, розрідження і різниці тисків 0,6; 1,0; 1,5. Діапазони вимірювання:

надлишкового тиску — від 0…10-3до 0...60 МПа; розрядження — від -1...0 до -10...0 кПа;

абсолютного тиску — від 0...2,5кПа до 0...2,5МПа; різниці тисків — від 0...1 кПа до 0...2,5МПа.

П'єзоелектричні вимірювальні перетворювачі тиску. В основу роботи цих перетворювачів покладене перетворення вимірювального тиску в зусилля за допомогою деформаційного чутливого елемента і наступного перетворення цього зусилля в сигнал вимірювальної інформації п'єзоелектричним перетворювальним елементом. Принцип дії п'єзоелектричного перетворювального елемента заснований на п'єзоелектричному ефекті, який спостерігається в ряді кристалів, таких, як кварц, турисін, титанат барію і ін. Суть п'єзоелектричного ефекту полягає в тому, що якщо кварцові пластини Х-зрізу піддати стиску силою N, то на її поверхні виникнуть заряди різних знаків. Значення заряду Q пов'язане із силою N співвідношенням

Q = k·N, (9)

де k — п'єзоелектрична постійна, котра не залежить від розміру пластини і визначається природою кристала.

На рис.5.10 показана схема п'єзоелектричного вимірювального перетворювача тиску.

Вимірювальний тиск перетворюється мембраною 4 у зусилля, що викликає стиск стовпчиків кварцових пластин 2 діаметром 5 мм і товщиною 1 мм. Виникаючий електричний заряд Q через виводи 1 подається на електронний підсилювач 5, що має більший вхідний опір. Значення заряду пов'язане з вимірювальним тиском Р залежністю

Q = k·P·F, (10)

де F — ефективна площа мембрани.

Внаслідок того що частота власних коливань системи «мембрана — кварцові пластини» становить десятки кілогерців, то вимірювальні перетворювачі цього типу мають високі динамічні характеристики, що обумовило їхнє широке застосування при контролі тиску в системах зі швидкопротікаючими процесами.

Чутливість п'єзоелектричних вимірювальних перетворювачів тиску може бути підвищена шляхом застосування декількох, паралельно включених кварцових пластин і збільшення ефективної площі мембрани.

Верхні межі вимірювання п'єзоелектричних перетворювачів тиску із кварцовими чутливими елементами 2,5…100 МПа. Класи точності 1,5; 2,0. Через витік заряду із кварцових пластин перетворювачі тисків цього типу не використовують для вимірювання статичних тисків.

9. Список використаної літератури:

1. Рішан О.Й. Метрологія, технологічні вимірювання та прилади: курс лекцій для студентів спеціальностей: "Автоматизоване управління технологічними процесами" та "Комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси і виробництва" ден. та заочн. форм навчання – К.: НУХТ, 2007. –162 с.

2. Бабіченко А.К. Промислові засоби автоматизації. Частина 1. Вимірювальні пристрої

3. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара

4. Николаева Е. В. - Физические основы получения информации: Измерительные преобразователи. Принципы измерения физических величин: учеб. пособие/ Е. В. Николаева, В. В. Макаров. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 96 с.
Зміст:

1. Загальна класифікація…………………………………………………………………..2

2. Рідинні засоби вимірювання тиску…………………………………………….6

3. Деформаційні прилади для вимірювання тиску……………………………………10

4. Вимірювальні прилади із сильфонним чутливим елементом…………….14

5. Вимірювальні прилади з мембранним чутливим елементом……………..15

6. Установка і обслуговування деформаційних трубчасто-пружинних манометрів…………………………………………………………………………………………………………………….16

7. Правила вимірювання трубчасто-пружинними манометрами……………18

8. Деформаційні вимірювальні перетворювачі тиску прямого перетворення………………………………………………………………………………………………………………………………..19

9. Список використаної літератури……………………………………………………………..24

 

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Житомирський державний технологічний університет

Кафедра АіКТ

Група АТК-21

Курсовий проект з предмету:

«Метрологія, технічні вимірювання та прилади»

на тему:

«Вимірювання тиску»

Виконав: І.О. Покидько

Перевірив: О.М. Безвесільна

Житомир 2011